CN108667280A - 一种基于nmos管h桥的铁氧体移相与开关器件驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种基于NMOS管H桥的铁氧体移相与开关器件驱动电路，包括控制端电源模块、NMOS管H桥驱动模块和NMOS管H桥模块，NMOS管H桥模块包括N个NMOS管H桥，一个NMOS管H桥包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，第一NMOS管和第二NMOS管的漏极均连接电源电压，其源极分别连接第三NMOS管和第四NMOS管的漏极并作为NMOS管H桥的两个输出端连接负载，第三NMOS管和第四NMOS管的源极连接模拟地电位；NMOS管H桥驱动模块包括分别用于驱动N个NMOS管H桥的N个NMOS管H桥驱动器，每个NMOS管H桥驱动器均由控制端电源模块供电，其控制端分别连接各自的控制信号，输出端均输出四个驱动信号分别连接该NMOS管H桥驱动器对应驱动的NMOS管H桥中第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管的栅极。

Description

一种基于NMOS管H桥的铁氧体移相与开关器件驱动电路

技术领域

本发明涉及一种驱动电路系统，尤其涉及一种用于驱动铁氧体移相与开关器件的驱动电路。

背景技术

铁氧体移相与开关器件作为一类通用的微波器件，在雷达和通信系统、微波仪器和测量系统等方面得到了广泛应用，它的基本功能是改变微波信号的相位，作为相控阵雷达馈电系统的关键微波元件，其优越性在相控阵雷达中得到了充分体现。

铁氧体移相与开关器件功能的实现，需要外加激励线圈对器件中铁氧体的磁化状态进行控制。给铁氧体器件提供驱动电压的驱动电路常见的有H桥电路和双MOS电路两种，双MOS电路转换时间长、需要两根激励线，灵活性差；由两个PMOS管和两个NMOS管组成的H桥电路转换时间较快，只需要一根激励线就可以实现电路的正向和反向功能，从而改变铁氧体的磁化状态，大大减少了系统连线的复杂程度。但是由两个PMOS管和两个NMOS管组成的H桥电路中，PMOS管导通时内阻较大，开关速度相对NMOS管较慢，导致H桥开关速度较慢，功率损失较大，同时H桥存在单臂导通的误操作可能性，可能会导致短路情况发生，使电路发生损坏。

发明内容

针对上述驱动电路存在的开关速度慢、能量损失大、电路可靠性低、电路通用性低、不便于调整等问题，本发明提供了一种基于NMOS管H桥的驱动电路，可以用来驱动铁氧体移相与开关器件，具有更灵活、功率更大、开关速度更快、更安全可靠的特点。

本发明的技术方案为：

一种基于NMOS管H桥的铁氧体移相与开关器件驱动电路，包括控制端电源模块、NMOS管H桥驱动模块和NMOS管H桥模块，

所述NMOS管H桥模块包括N个NMOS管H桥，其中N为正整数；

所述NMOS管H桥包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3和第四NMOS管N4，

第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的漏极均连接电源电压VCC，其源极分别连接第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的漏极并作为所述NMOS管H桥的两个输出端连接负载，第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的源极连接模拟地电位AGND；

所述NMOS管H桥驱动模块包括分别用于驱动所述N个NMOS管H桥的N个NMOS管H桥驱动器，每个所述NMOS管H桥驱动器均由所述控制端电源模块供电，其控制端分别连接各自的控制信号，输出端均输出四个驱动信号，所述四个驱动信号分别连接该NMOS管H桥驱动器对应驱动的所述NMOS管H桥中第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的栅极。

具体的，所述NMOS管H桥驱动器包括HIP4082芯片、第一电荷泵和第二电荷泵，

所述第一电荷泵和第二电荷泵由所述控制端电源模块供电，其输出端分别接在该NMOS管H桥驱动器对应的所述NMOS管H桥的两个输出端，使得所述NMOS管H桥的两个输出端的电压值为该NMOS管H桥的电源电压VCC和驱动该NMOS管H桥的NMOS管H桥驱动器的供电电压之和；

所述HIP4082芯片包括四个输出端分别接在该NMOS管H桥驱动器对应的所述NMOS管H桥中第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的栅极。

具体的，所述驱动电路还包括逻辑控制模块和电平兼容模块，所述逻辑控制模块的输出端连接电平兼容模块的输入端，所述电平兼容模块由所述控制端电源模块供电，输出多个控制信号分别作为所述NMOS管H桥驱动模块中各个所述NMOS管H桥驱动器的控制信号。

具体的，所述控制端电源模块包括LM78M12芯片、LM78M05芯片、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8，

LM78M12芯片的输入端连接外部电源并通过第三电容C3后连接模拟地电位AGND，其输出端输出第一电源电压为所述NMOS管H桥驱动模块供电；

第四电容C4、第七电容C7和第八电容C8都接在LM78M12芯片的输出端和模拟地电位AGND之间；

LM78M05芯片的输入端连接LM78M12芯片的输出端并通过第一电容C1后连接模拟地电位AGND，其输出端输出第二电源电压为所述电平兼容模块供电；

第二电容C2、第五电容C5和第六电容C6都接在LM78M12芯片的输出端和模拟地电位AGND之间。

本发明的有益效果为：本发明提出的NMOS管H桥结合其对应的NMOS管H桥驱动器，具体能耗小、开关速度快的特点，且可以消除H桥单臂导通的可能性，提高电路的安全性，同时负载为空或电路处于关断状态时，NMOS管H桥会处于关断状态，节约能源；NMOS管H桥的电源电压可调范围大，使得NMOS管H桥具有更大的功率容量，适用范围更广；控制信号的产生具体很高的灵活性，一些实施例中通过电平兼容模块兼容不同输入的控制信号，具有较高的灵活性和可调性；本发明通过对铁氧体移相器进行脉冲宽度调制，实现了相移量的连续控制；通过改变电流方向与大小实现了驱动铁氧体开关控制微波开关的工作状态。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于NMOS管H桥的铁氧体移相与开关器件驱动电路的系统框图。

图2为控制端电源模块的一种实现原理图。

图3为单路的NMOS管H桥驱动器与NMOS管H桥的电路原理图。

图4为电平兼容模块的原理图。

图5为FPGA的逻辑原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供的驱动电路，可以用于驱动铁氧体移相与开关器件，也可以用于驱动其他复杂的铁磁性器件，与传统的使用两个PMOS管和两个NMOS管组成的H桥的驱动电路相比，本发明基于四个NMOS管组成H桥，如图3所示，一个NMOS管H桥包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3和第四NMOS管N4，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的漏极均连接电源电压VCC，其源极分别连接第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的漏极并作为NMOS管H桥的两个输出端M+和M-连接负载，第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的源极连接模拟地电位AGND。本发明使用4个NMOS功率管构成H桥，在完全导通时，内阻为0.6mΩ，最高开关频率可达600kHz，开关速度快、功率损耗小。本实施例中NMOS管的型号为MTS3256S，最大可以支持60V电压，50A电流，完全导通时内阻仅为0.3m欧姆，功率损失极小，电源电压VCC不能大于NMOS管漏源之间的击穿电压，NMOS管H桥的驱动端电源(即电源电压VCC)可以在0到60V之间进行调整，根据NMOS管的型号确定最大可调整电压，一般最大为80V，使用NMOS管H桥具有更大的功率容量，可根据需要改变激励线圈的驱动能力大小。

根据需要驱动的器件个数，可以自行设定NMOS管H桥模块中NMOS管H桥的个数，一个NMOS管H桥的两个输出端连接一个激励线圈，如果需要驱动多个激励线圈可设置对应的多个NMOS管H桥，当设置了多个NMOS管H桥时，每个NMOS管H桥由一个对应的NMOS管H桥驱动器驱动，如图1所示，NMOS管H桥1由NMOS管H桥驱动器1驱动，NMOS管H桥2由NMOS管H桥驱动器2驱动，NMOS管H桥驱动器1和NMOS管H桥驱动器2均由控制端电源模块供电，NMOS管H桥驱动器1和NMOS管H桥驱动器2分别由各自的控制信号控制。

每个NMOS管H桥驱动器和其驱动的NMOS管H桥的连接如图3所示，NMOS管H桥驱动器中包括一个HIP4082芯片和两个电荷泵，两个电荷泵用于对NMOS管H桥的工作状态进行控制，第一电荷泵由第一二极管D1和第十电容C10组成，第二电荷泵由第二二极管D2和第十一电容C11组成；HIP4082芯片的BHB引脚连接第一二极管D1的阴极和第十电容C10的一端，第十电容C10的另一端连接HIP4082芯片的BHS引脚和NMOS管H桥的一个输入端，第一二极管D1的阳极连接控制端电源模块产生的第一电源电压；HIP4082芯片的的BHI引脚、AHI引脚和VDD引脚均连接第一电源电压；NMOS管H桥驱动器还包括一个第九电容C9接在第一电源电压和模拟地电平AGND之间，还包括一个第一电阻R1接在HIP4082芯片的DEL引脚和模拟地电平AGND之间，第九电容C9为滤波电容；HIP4082芯片的VSS引脚连接模拟地电平AGND，HIP4082芯片的BHO引脚通过一个第二电阻R2后连接NMOS管H桥中第一NMOS管N1的栅极，HIP4082芯片的BLO引脚通过第三电阻R3后连接NMOS管H桥中第三NMOS管N3的栅极，HIP4082芯片的ALO引脚通过第五电阻R5后连接NMOS管H桥中第四NMOS管N4的栅极，HIP4082芯片的AHS连接NMOS管H桥的另一个输出端，HIP4082芯片的AHO引脚通过第四电阻R4后连接NMOS管H桥中第二NMOS管N2的栅极，第二二极管D2的阳极连接第一电源电压，其阴极连接第十一电容C11的一端和HIP4082芯片的AHB引脚，第十一电容C11的另一端连接HIP4082芯片的AHS引脚。第一电阻R1作为死区时间调整电阻，第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5作为限流电阻。当BLI输入高电平，ALI输入低电平，负载电压正向；当BLI输入低电平，ALI输入高电平时，负载电压反向；否则H桥均处于关断状态，不会出现单臂导通情况。图1所示的电路系统构建了两个NMOS管H桥驱动器以及两个NMOS管H桥的电路，在输出端不接入负载的情况下，NMOS管H桥将会始终处于关断状态，大幅提高安全性，同时提高效率，可以根据设计需要选择相应的驱动数量。

NMOS管H桥驱动器的控制信号可以由外部信号经过信号处理后提供，外部信号为2-6V的控制输入，也可以由逻辑控制模块产生并经过电平兼容模块转换后产生，逻辑控制模块可以是FPGA(现场可编程逻辑阵列)或者单片机，如图5所示，控制输入模块可以由按键产生，4个按键分别为系统复位、正向脉冲产生、反向脉冲产生和脉冲宽度调整；对于按键产生的信号要进行消抖处理，所以控制输入模块需要先经过按键消除抖动模块；以控制两路NMOS管H桥为例，可编程计数器产生四个信号PA、PB、PC和PD，PA和PB控制NMOS管H桥驱动器1，PC和PD控制NMOS管H桥驱动器2。系统复位按键会将系统置于初始化状态，此时可编程计数器的计数状态清零，脉冲宽度处于预置数状态；每当按下脉冲宽度调整键时，就会触发加法器，改变可编程计数器的计数值，使脉冲宽度增加一个定值；正向触发键会使输出信号为PA＝1，PB＝0，PC＝1，PD＝0，两个NMOS管H桥产生当前脉冲宽度的正向电压；反向触发键会使PA＝0，PB＝1，PC＝0，PD＝1，两个NMOS管H桥产生当前脉冲宽度的反向电压；其他状态时NMOS管H桥均为关断状态，提高了系统的安全性；工作状态模块会显示当前的工作状态，以及脉冲宽度；可编程计数器的预置数，以及加法器每次增加的脉冲宽度都可以通过修改程序文件中的全局变量来改变，具有很高的灵活性。一般情况下，FPGA产生3.3V的控制信号，控制NMOS管H桥中激励线圈中电压的方向与脉冲宽度，产生的3.3V的控制信号传输给电平兼容模块。

电平兼容模块用于将逻辑控制模块产生的信号转化为固定值的控制信号，本实施例中将FPGA产生的3.3V的控制信号处理成5V的控制信号连接对应的NMOS管H桥驱动器，可由多个74HC08芯片产生对应的各个NMOS管H桥驱动器的控制信号。使用74HC08模块，成本低，可靠性高，在不改变逻辑的情况下，将输入信号转化成5V信号，使电路系统可以兼容多种不同电压的输入信号。如图4所示为产生一个NMOS管H桥驱动器的控制信号的原理图，74HC08芯片中GND引脚连接模拟地电平AGND，Vcc引脚连接第二电源电压，74HC08芯片中包括四个与门，实际使用时使用其中三个与门，可记为第一与门、第二与门和第三与门，74HC08芯片中的1A引脚、2A引脚和3B引脚分别为三个与门的第一输入端，均连接第二电源电压；74HC08芯片中的1B引脚和2B引脚分别为第一与门和第二与门的第二输入端，连接逻辑控制模块的输出信号，74HC08芯片中的1Y和2Y引脚为第一与门和第二与门的输出端分别连接对应的NMOS管H桥中HIP4082芯片的BLI引脚和ALI引脚，输出电平兼容后的输出，74HC08芯片中的3A引脚为第三与门的第二输入端接模拟地电平AGND，74HC08芯片中的3Y引脚为第三与门的输出端连接对应的NMOS管H桥中HIP4082芯片的DIS引脚。本实施例中的电平兼容模块可以将2V到6V的输入信号处理成5V的控制信号使用FPGA产生控制信号，方便更换控制信号产生源，可以兼容多种输出电压在2V到6V之间的控制信号，具有较高灵活性和可调性，可以灵活调整NMOS管H桥中激励线圈的电压脉冲宽度与电流方向，可实现对相移量的精确控制。

控制端电源模块用于产生第一电源电压为NMOS管H桥驱动模块供电，并产生第二电源电压为电平兼容模块供电，如图2所示为控制端电源模块的一种实现电路，包括LM78M12芯片、LM78M05芯片、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8，第一电容C1和第三电容C3为整流滤波电容，第二电容C2和第四电容C4为负载电路退耦电容，第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8为稳定电容，LM78M12芯片利用外部电源产生稳定的第一电源电压，外部电源一般为14V到35V的直流供电，LM78M05芯片将第一电源电压转化为稳定的第二电源电压，第一电源电压一般为10V-15V，优选12V，第二电源电压一般为5V，保证了系统的可靠性与安全性。LM78M12芯片的输入端连接外部电源并通过第三电容C3后连接模拟地电位AGND，其输出端输出第一电源电压为NMOS管H桥驱动模块供电；第四电容C4、第七电容C7和第八电容C8都接在LM78M12芯片的输出端和模拟地电位AGND之间；LM78M05芯片的输入端连接LM78M12芯片的输出端并通过第一电容C1后连接模拟地电位AGND，其输出端输出第二电源电压为电平兼容模块供电；第二电容C2、第五电容C5和第六电容C6都接在LM78M12芯片的输出端和模拟地电位AGND之间。

综上所述，本发明充分运用了NMOS管H桥及其驱动原理，以及FPGA可编程的灵活性，构建了一种适合大部分波导开关以及铁氧体移相器的驱动电路。因为采用了H桥电路结构，一条激励线圈即可以产生正反两种电流方向，可以减小系统连线复杂度。本发明具有脉冲宽度可调、激励线圈功率可调、安全、可靠等优点，系统可以实现最快600KHz的转换频率，同时利用HIP4082芯片将控制电路与驱动电路进行隔离，增加了电路的抗干扰能力。HIP4082芯片的逻辑控制从根本上消除了H桥单臂导通的可能性，消除了逻辑控制误操作导致H桥单臂导通使电路发生损坏的可能性，使电路安全性提高。在负载为空时或者逻辑处于关断状态时，H桥将会处于关断状态，节约能源。FPGA使脉冲产生具有很高的编程灵活性。改进的NMOS管H桥在完全导通的情况下，内阻只有0.6mΩ，能量损失非常小，H桥驱动端电压可以根据功率需求在0V到60V之间进行调整。

本发明提供的驱动电路可以对铁氧体移相器进行脉冲宽度调制，实现相移量的连续控制；也可以通过改变电流方向与大小来驱动铁氧体开关控制微波开关的工作状态；还可以用于驱动其他复杂铁磁性器件，同时对脉冲宽度与电流状态进行调整，对磁调微波铁氧体器件具有很高的通用性。

可以理解的是，本发明不限于上文示出的精确配置和组件。在不脱离权利要求书的保护范围基础上，可以对上文方法和结构的步骤顺序、细节及操作做出各种修改、改变和优化。

Claims (4)

1.一种基于NMOS管H桥的铁氧体移相与开关器件驱动电路，包括控制端电源模块、NMOS管H桥驱动模块和NMOS管H桥模块，其特征在于，

所述NMOS管H桥模块包括N个NMOS管H桥，其中N为正整数；

所述NMOS管H桥包括第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第三NMOS管(N3)和第四NMOS管(N4)，

第一NMOS管(N1)和第二NMOS管(N2)的漏极均连接电源电压(VCC)，其源极分别连接第三NMOS管(N3)和第四NMOS管(N4)的漏极并作为所述NMOS管H桥的两个输出端连接负载，第三NMOS管(N3)和第四NMOS管(N4)的源极连接模拟地电位(AGND)；

所述NMOS管H桥驱动模块包括分别用于驱动所述N个NMOS管H桥的N个NMOS管H桥驱动器，每个所述NMOS管H桥驱动器均由所述控制端电源模块供电，其控制端分别连接各自的控制信号，输出端均输出四个驱动信号，所述四个驱动信号分别连接该NMOS管H桥驱动器对应驱动的所述NMOS管H桥中第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第三NMOS管(N3)和第四NMOS管(N4)的栅极。

2.根据权利要求1所述的基于NMOS管H桥的铁氧体移相与开关器件驱动电路，其特征在于，所述NMOS管H桥驱动器包括HIP4082芯片、第一电荷泵和第二电荷泵，

所述第一电荷泵和第二电荷泵由所述控制端电源模块供电，其输出端分别接在该NMOS管H桥驱动器对应的所述NMOS管H桥的两个输出端，使得所述NMOS管H桥的两个输出端电压为该NMOS管H桥的电源电压(VCC)和驱动该NMOS管H桥的NMOS管H桥驱动器的供电电压之和；

所述HIP4082芯片包括四个输出端分别接在该NMOS管H桥驱动器对应的所述NMOS管H桥中第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第三NMOS管(N3)和第四NMOS管(N4)的栅极。

3.根据权利要求1或2所述的基于NMOS管H桥的铁氧体移相与开关器件驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括逻辑控制模块和电平兼容模块，所述逻辑控制模块的输出端连接电平兼容模块的输入端，所述电平兼容模块由所述控制端电源模块供电，输出多个控制信号分别作为所述NMOS管H桥驱动模块中各个所述NMOS管H桥驱动器的控制信号。

4.根据权利要求3所述的基于NMOS管H桥的铁氧体移相与开关器件驱动电路，其特征在于，所述控制端电源模块包括LM78M12芯片、LM78M05芯片、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第七电容(C7)和第八电容(C8)，

LM78M12芯片的输入端连接外部电源并通过第三电容(C3)后连接模拟地电位(AGND)，其输出端输出第一电源电压为所述NMOS管H桥驱动模块供电；

第四电容(C4)、第七电容(C7)和第八电容(C8)都接在LM78M12芯片的输出端和模拟地电位(AGND)之间；

LM78M05芯片的输入端连接LM78M12芯片的输出端并通过第一电容(C1)后连接模拟地电位(AGND)，其输出端输出第二电源电压为所述电平兼容模块供电；

第二电容(C2)、第五电容(C5)和第六电容(C6)都接在LM78M12芯片的输出端和模拟地电位(AGND)之间。